국제우주정거장 비행사들이 우주정거장(ISS) 공식 트위터를 통해 우주에서 본 2022년 새해의 첫 일출 사진을 공개했다.
우주정거장은 고도 400km 상공에서 약 2만 8천 km의 속도로 90분에 한 번씩 지구를 돈다. 따라서 우주정거장에서는 하루에 16번의 일출을 볼 수 있다.
국제우주정거장의 역사와 원리는 무엇일까?
국제우주정거장(ISS)은 러시아와 미국을 비롯한 세계 각국이 참여하여 1998에 건설이 시작된, 연구시설을 갖춘 다국적 우주정거장이다.
1998년 11월 20일부터 궤도상에서 조립이 개시되어 2011년 7월에 완성되었다. 당초의 운용 기간은 2016년까지의 예정이었지만 국제우주정거장(ISS)의 수명을 2030년까지 늘리기로 했다.
빌 넬슨 미 항공우주국 국장은 “국제우주정거장은 평화로운 국제적인 과학 협력의 신호였고, 지난 20년 넘는 시간 동안 인류에게 엄청난 과학적, 교육적, 기술적 발전이란 혜택을 줬다. "고 밝혔다.
국제우주정거장 - 역사
국제 우주 정거장 계획이 처음으로 떠오른 것은 1980년대 초 냉전 시기 서방의 우주 정거장 '프리덤 계획'이다.
이 계획은 서쪽의 결속력을 어필하고 소련연방에 대항하는 정치적인 의도가 매우 강한 것이었다.
그러나 미국과 유럽의 재정난, 스페이스 셔틀 ' 챌린저 '의 폭발 사고 , 이어지는 정치권에서 화두 되는 냉전 종결로 인해 계획을 제 시기에 수행할 수 없었다.
계획은 '알파'로 변경, 스테이션 규모도 대폭 축소됐으며 미국을 포함해 탑승 인원수를 줄이고 각국 체류기간도 단축했다.
한편, 소련은 '살류트'에 이은 우주 정거장 '미르'에 의한 우주 체재를 실현하고 있었지만, 1991년 말 소련 연방의 붕괴에 의한 혼란과 재정난으로, 미르는 우주 공간에서 열화 했다.
미국은 러시아를 끌어들일 목적도 있고, 알파와 미르(미르 2)를 통합할 계획을 갖고 있었지만, 러시아는 새로운 모듈 '자랴'를 발사할 계획을 가지고 있었기 때문에 이는 불가능했다. 그 결과 완전한 신형 우주 정거장으로서 ISS 계획을 시작하게 됐다.
국제우주정거장 - 건설
국제우주정거장의 사진을 보면 가장 먼저 낯선 모양이다. 마치 서로 다른 부품을 연결한 것처럼 보이기 때문이다.
모든 궤도 정거장은 다양한 모듈로 이루어져 있다. 우주정거장 모듈을 위한 핵심 조건은 크기이다. 정거장을 만드는 모든 요소는 로켓에 실려 지구 궤도로 향한다.
즉, 정거장은 로켓의 운반 능력보다 클 수 없다.
ISS의 건설은 조립 부품 및 작업 때문에 50회 이상의 발사가 필요했다.
그 발사의 39번은 우주왕복선을 통한 발사이다. 비교적 소형 부품은 진행 보급선과 같은 무인우주보급기를 통해 운반된다.
조립이 완료된 시점의 ISS는, 체적 1,200 입방미터, 중량 419톤, 최대 발생 전력 110킬로와트, 트러스(횡방향)의 길이 108.4미터, 진행 방향의 길이 74미터, 최대 체류 인원수는 6명이다.
국제우주정거장 - 기본 구조
총부피는 약 935 입방미터, 총중량은 약 420 톤이다.
ISS의 구성은, 미국 측 여압 모듈, 러시아 측 여압 모듈, 트러스에 의한 3개의 부분으로 구분할 수 있다.
ISS의 중앙부에는, 진행 방향으로 여압 모듈이 직렬로 연결되어 있고, 또한 가지 형상으로도 모듈이 부착되어 있다.
이와 직교하여, 좌우 방향으로 트러스 구조물이 부착되어 있다. 여압 모듈과 트러스의 교점은 각각 데스티니와 트러스며, 여기 이외에 여압 모듈과 트러스의 결합부는 없다.
여압 모듈
체재하는 우주 비행사의 거주와 작업 공간에서, 내부는 지구의 해발 0 미터 위와 같은 1,013 hPa의 공기로 채워지도록 되어있다.
온도, 습도 , 성분이 조절되며 탑승자는 지상과 다르지 않은 공간에서 활동할 수 있다.
생활에 필요한 생명 유지 시스템이나 거주를 위한 장치, ISS의 목적인 다양한 실험 장치 외, ISS의 운용에 필요한 시스템 기기 등도 설치되어 있어, 많은 기기는 모듈 내에서 메인터넌스나 교환이 가능하다.
기본적인 기능을 가진 모듈은 열차처럼 1열로 연결된다. 처음부터 하모니 , 데스티니 , 유니티 , 자랴 , 즈베즈다 , 나우카의 순서이다.
이들 모듈 중 즈베즈다 이외는 미국의 자금으로 제조되어 미국이 소유권을 가지고 있지만, 자야는 러시아에 개발, 제조, 운용을 위탁하고 있다.
즈베즈다는 러시아의 모듈이다. 일반적으로, 유니티보다 앞쪽을 「미국 측」, 자랴보다 후측을 「러시아 측」이라고 부른다.
미국 측 모듈과 러시아 측 모듈은 설계가 완전히 다르다. 유니티와 자랴는 직접 결합할 수 없기 때문에 공압결합어뎁터 (PMA-1)를 통해 연결 된다. 전력과 통신도 PMA-1을 통해 연결되어 있다.
미국 측 모듈
유니티보다 전방의 모듈은, NASA의 표준 설계나 안전 기준을 적용하고 있기 때문에, 일반적으로 「미국 측」이라 부른다.
유럽의 실험 모듈도 미국 측에 포함된다. 이들 모듈은 모두 직경 4.4미터의 원통형이지만, 이것은 스페이스 셔틀의 페이로드 베이의 치수에 맞추었기 때문이다.
내부는 국제 표준 실험 랙 (ISPR)을 4면에 설치하는 설계로 표준화되어 있으며, 미국과 미국의 모듈 사이에서 랙을 이전할 수 있는 호환성을 갖추고 있다.
모듈끼리의 결합에는 공통 결합 기구 (CBM)를 이용하고 있기 때문에, 모듈을 임의로 이설 할 수 있다. 또한 HTV와 드래곤 우주선도 CBM을 사용하여 결합한다.
CBM은 대형으로 고기능의 결합 기구이지만, 자동 도킹에는 대응하고 있지 않고, 로봇 암을 사용해 접촉시킨 후, 전동의 결합 장치로 결합하는 구조이다.
또한 미국 측에서도 스페이스 셔틀의 도킹만은 러시아가 개발한 안드로지너스 도킹 기구를 사용하고 있기 때문에, 유니티 설치 후에는 트렁크 윌리테이로 이전되었다.
2015년에는 하모니로 이전 예정)과 하모니에 스페이스 셔틀용 PMA가 설치되어 있어, 최종적으로는 하모니의 PMA-2만을 사용하고 있었다.
이 PMA-2에는 ISS로부터 스페이스 셔틀에 전력을 공급하는 배선이 실시되어 있어 ISS 계류 중의 스페이스 셔틀의 전력을 절약할 수 있었다.
러시아 측 모듈
자랴보다 후방의 모듈은 러시아의 표준 설계나 안전 기준을 적용하고 있기 때문에, 일반적으로 「러시아 측」이라고 불린다.
대표적으로 러시아가 독자적으로 설치한 즈베즈다가 해당된다. 러시아 세그먼트의 개발에는 ESA도 협력하고 있어, 즈베즈다의 컴퓨터나, 유럽 로봇 암(ERA)을 개발하고 있다.
일본은 러시아 측 모듈도 실험에 이용하고 있지만, 기본적으로는 미국측에 포함된 키보를 사용한다.
러시아 측의 특징은 주요 모듈이 단독으로 우주선으로서의 기능을 갖추고 있다는 것이다. 각 모듈에는 엔진이나 자동 조종 장치, 통신 시스템, 태양 전지 패널을 구비하고 있어 단독으로 비행하여 자력으로 도킹할 수 있다.
이것은 러시아 우주 정거장의 전통적인 기술이다. 이 덕에 상당한 규모까지 조립하지 않으면 자립할 수 없는 미국 측 모듈에 앞서 러시아측 모듈(단독 우주 정거장)을 발사하고 그것을 가동해 미국 측 모듈을 증설하는 기법을 사용했다. 그 결과 초기 ISS 비용을 줄일 수 있었다.
즈베즈다는 ISS의 궤도 고도와 자세를 유지하는 역할을 담당하고 있으며, 미국과 분담해 환경제어 역할도 담당하며, 우주 여행자도 이곳에 머무른다.
러시아 측 모듈의 도킹에는 안드로지나스라고 불리는 도킹 장치가 사용된다. 안드로지너스는 CBM보다 소형이지만, 철도 차량처럼 '충돌'시키는 것만으로 도킹 가능하며, 자동 도킹하는 러시아 측 모듈에는 빠질 수 없는 장치이다.
또, 긴급시의 퇴피에 사용되는 서유즈 우주선이나, 러시아의 프로그레스 보급선, ESA의 ATV도, 안드로지나스를 사용해 러시아 측에 도킹한다.
러시아 측에도 단독 태양전지 패널(과학 전력 플랫폼)을 증설할 계획이 있었으나 비용 절감을 위해 중단되었다. 부족한 전력은 미국 측의 태양전지로부터 공급되고 있다.
2021년 7월, 피어스를 분리하고 나우카가 도킹했다. 지금까지 피어스는 도킹 모듈, 혹은 선외 활동을 위한 에어 록으로서의 용도였지만, 나우 카로의 교체에 의해 원래의 도킹 모듈로서의 기능에 가세해 실험동, 작업장, 생명 유지 장치, 추진기 로 기능을 했다.
또한 피어스와 달리 나우카는 여압 모듈로 취급된다.
트러스
프리덤 계획에서는 선외 작업의 기반으로 대규모가 계획되었지만, 축소를 거듭한 결과 ISS의 인프라 기능을 담당하는 선외 기기의 설치 장소로 사용되고 있다.
주요 기능은 태양전지 패들을 비롯한 전원 기기, 라디에이터 등 폐열 시스템, 자세 제어를 위한 컨트롤 모멘트 자이로, 안테나 등의 통신 기기의 설치 장소이다.
프리덤 계획에서는 궤도 유지를 위한 엔진도 설치할 예정이었지만, 이 기능은 러시아 측으로 옮겨졌기 때문에 엔진을 갖춘 예정이었던 트러스는 결번이 되었다.
트러스는 ISS 중에서도 상당히 큰 모듈이기 때문에 접힌 상태에서 발사하는 것 또한 검토하였으나, 우주 공간의 궤도 상에서 트러스에 각종 기기를 설치하는 수고와 비교하면 완성된 형태로 발사하는 것이 효율이 좋다.
트러스 상에서의 작업에 있어서의 캐나다 암의 이동, 선외 작업원이나 물자의 운반에는 모바일 베이스 시스템(MBS)이라고 불리는 운반 베이스가 사용되어, 트러스에 따라 가이드 레일이 설치되어 있다.
트러스에는 선외 기기의 예비품이나 고장 나서 제거된 기기의 보관 공간도 있어, 이것을 선외 실험에 이용할 수도 있다. 그러나, 배열용의 냉매를 공급할 수 없기 때문에, 소형의 실험밖에 사용되지 않는다.
본격적인 선외 실험장치나 우주관측장치를 설치할 수 있는 것은 일본의 키보우 선외 실험 플랫폼뿐이다. 또한 유럽의 콜럼버스에도 소형의 실험장치를 설치하는 기능이 설치되어 있지만, 키보보다는 간단하다.
국제우주정거장 - 주요 시스템
ISS의 전력원은 태양광을 전기로 변환하는 태양전지이다. 조립 비행 4A 이전에는 자랴와 즈베즈다 설치된 러시아 태양 전지가 유일한 전원이었다.
ISS의 러시아 부분은 스페이스 셔틀과 동일한 28 볼트 직류 전력을 사용한다. ISS의 다른 부분에는 트러스에 설치된 태양 전지로부터 130-180 볼트의 직류 전력이 공급된다.
전력은 직류 160 볼트로 안정화되어 분배되며, 사용자가 필요로 하는 124 볼트 직류로 변환된다. 전력은 컨버터에 의해 ISS의 쌀 이슬 세그먼트로 분배된다.
러시아의 과학 전력 플랫폼이 취소되고 러시아 구획도 미국이 설치한 태양 전지의 전력 공급에 의존하게 되었기 때문에, 이 전력 분배 기구는 중요하다.
ISS의 미국 구획에서는, 고압(130-160 볼트) 배전을 실시하는 것으로 전류를 작게 하고, 전선을 보다 가늘게 할 수 있어, 경량화할 수 있었다.
태양전지 패들은 태양 에너지를 최대화하기 위해 항상 태양을 추적한다.
패들은 면적 375 평방미터, 길이 58 미터. 완전히 완성된 구성에서 태양전지 패들은 S3와 P3 트러스에 장착된 알파 짐벌(SARJ)을 궤도 1회회에 맞추어 1 회전시킴으로써 태양을 추적한다.
베타 짐벌(BGA)은 궤도면과 태양의 각도에 맞추어 각도를 조정하는 것으로, 이 알파 축과 베타 축의 2축의 움직임을 조합함으로써 발생 전력을 최적화하고 있다.
이 경우 상당한 양의 발생 전력이 나오는데 각도를 조정하여 해결한다. 미국 세그먼트의 태양 전지에 의한 최대 발전 전력은 약 120kW이다.
주요 트러스 구조가 발사될 때까지 패들은 최종 설치 장소와 수직인 위치인 P6 트러스에만 설치되어 있었다. 이러한 형태에서는 태양 추적에는 베타 짐벌밖에 사용할 수 없다.
「밤의 글라이더」 모드라고 불리는 방법은, 야간에는 사용도가 없는 태양전지 패들을 진행 방향으로 수평을 향해 조정하는 것으로, 공기 저항을 줄일 수 있어 고도의 저하를 억제할 수 있다.
태양 전지가 발전한 전력은 일단 트러스 내의 충전지에 축적된 후 급전된다. 처음에는 니켈, 수소 충전지 48기가 사용되고 있었지만 노후화로 인해, 2016년부터 리튬이온 전지로 교체된다.
생명 유지
ISS 환경 제어 및 생명 유지 시스템 (ECLSS)은 기압, 산소 및 이산화탄소 농도, 물, 화재 소화 및 기타 요소를 제공하거나 제어한다.
생명 유지에 관하여 가장 중요한 것은 단연 ISS 내의 공기이다. 산소 공급은 러시아 일렉트론과 미국 OGS (Oxygen Generation System)에서 수행한다.
물을 전기 분해하여 산소를 만드는 일렉트론이나 OGS가 고장 나거나 교대 시에 우주비행사가 늘어나면 ' Vika 산소 발생기(캔들)'로 불리는 원통형 SFOG(Solid Fuel Oxygen Generator, 고체연료 산소 발생 장치)를 사용한다.
이들 장치 외에도 러시아의 프로그레스나 NORS(Nitrogen/Oxygen Recharge System)를 이용하여 산소나 공기를 운반한다.
이산화탄소 제거는 한번 제올라이트에 흡착시킨 후 선외로 방출하여 재생을 반복하는 러시아의 '보즈도크'(Vozdoch)라는 장치와 미국의 '시드라'(CDRA)에 의해 이루어진다.
또, 일시적으로 우주비행사가 늘어난 경우나 장치의 고장 시에는, 수산화리튬이 들어간 캔에 기지 내의 공기를 통해 이산화탄소를 제거하는, 스페이스 셔틀과 같은 구조의 예비의 장치도 사용할 수 있다.
다음으로 중요한 것은 탑승자가 체내에서 배출하거나 세정 등에서 사용한 물이나 장치 유래의 물 등, 물의 수집과 재생 처리이다.
물은 지금까지 러시아의 '에스엘 베이커'(SRVK)라고 불리는 장치로 기지의 공기 중의 습기를 응결시켜 회수하고 있다.
스페이스 셔틀의 연료 전지가 낳는 물(최대 11kg/h)을 더해도 음료용이나 산소 발생 장치용으로 부족한 분은, 연간 약 6800킬로그램을 지상에서 보급한다.
이를 개선하기 위해 STS-126으로 운반된 미국의 물 재생 시스템(Water Recovery System, WRS)은 공기 중의 응결수뿐만 아니라 소변에서도 물을 재생함으로써, 지상에서 물의 보급량량을 현저히 줄일 수 있었다.
유해물질이나 냄새를 제거하기 위해서는 주로 활성탄 필터를 사용하고 있으며 러시아의 BMP와 미국의 TCCS가 사용하고 있다.
방향 제어
ISS의 방향은 2개의 기구(추진식과 비추진식)로 유지된다. 일반적으로 Z1 트러스에 설치된 미국의 컨트롤 모멘트 자이로(CMG) 4기를 사용하여 ISS를 올바른 방향으로 향하게 한다.
즉 데스티니를 유니티의 전방에, P(포트 측의) 트러스를 좌현 측에, 피어스를 지구 측(바닥 측)으로 향하게 한다.
CMG 시스템이 포화되면 ISS의 방향 제어할 수 없게 되므로, 그 경우는 러시아의 방향 제어 시스템이 자동으로 CMG 포화를 클리어할 수 있도록 제어하고 있으며, CMG를 사용할 수 없는 기간의 ISS의 자세 제어도 담당한다.
고도 제어
ISS의 궤도는 최저고도 278km에서 최고 고도 460km의 범위로 유지된다. 최고 고도 제한은 랑데부가 가능한 425km이며, 최저 고도는 리부스트 등의 제어를 할 수 없게 된 상태에서도 일정 기간 낙하를 막아 대응하는 시간을 얻기 위한 고도로 설정된다.
이 때문에 태양 활동에 따라 최저 고도 제한도 변동한다.
ISS의 고도는 대기 저항에 의해 끊임없이 떨어지고 있기 때문에 매년 몇 번 더 높은 고도로 상승 (재부스트)시킬 필요가 있다.
고도의 상승은 향후의 비행 계획이나 스페이스 파편의 접근 상황 등을 고려하여 실시된다. 이 때문에 드물지만 고도를 약간 낮추기도 한다.
ISS의 조립 단계에서는 스페이스 셔틀이 가능한 한 많은 페이로드를 ISS에 운반할 수 있도록 고도는 비교적 낮게 억제되어 있었지만, 스페이스 셔틀 퇴역 후에는 대체로 고도 400km 이상으로 운용하게 되었다.
방호
대형 파편은 항상 지상에서 모니터링되며 충돌 가능성이 있는 경우 위에서 설명한 고급 제어로 피할 수 있다. 그러나 예상하지 못한 소규모 파편과 충돌할 수 있기 때문에 모듈에 장갑(裝甲)이 내장되어 있다.
ISS 내에 새로운 거주 공간은 피폭량을 고려하여 두꺼운 완충제를 활용하여 제작했다. 태양의 활동이 활발해져 방사선량이 증가할 경우 피폭될 위험이 있기 때문이다.
국제우주정거장 - 궤도
궤도 고도는 지상과의 수송기 왕복을 고려하여 제궤도로 운용되고 있다. 지구를 약 90분으로 1주, 24시간으로 약 16주한다.
궤도 경사각은 지구 적도에 대해 51.6도 기울어져 있다.
일반적인 메르카토르 도법의 세계 지도상에 궤도를 그리면, 북위·남위 51.6도를 상하의 끝으로 하는 파선이 되지만, 지구가 자전하고 있기 때문에, 90분에 걸쳐 이전 주회 한 지점보다 지상의 경도로 22.5도 어긋나게 된다.
지구에 대한 방향은 지구의 중심을 향해 항상 변하지 않도록 제어된다. 이것은 통신 설비의 지향성, 보급기의 경로 때문이며, 다른 것은 인공위성과 동일하다.
즉, ISS에서 지구를 바라보면 어느 한 지점으로 계속 회전하고 있는 것처럼 보인다.
국제우주정거장 - 비용
2010년까지 국제 우주 정거장 계획에서 각국의 지출은 미국이 585억 달러, 유럽이 35억 유로, 캐나다가 17억 캐나다 달러이다.
2011년부터 2015년까지 5년간 각국의 지출은 미국이 72억 달러, 유럽이 19억 유로, 캐나다가 3억 캐나다 달러이다.
덧붙여 러시아는 자국 관할 부분의 비용을 모두 부담해, 동시에 그 모든 이용권을 소유하고 있다.
